一种低功耗高电压转换速率的模拟运算放大器设计

摘要

在各种电子设备中，运算放大器是常用的重要器件之一，它常用于电子设备的模拟信息处理电路中，是组成放大、滤波、检波、采样、变换等各种电路的重要元件，其性能指标直接影响电子设备的总体性能。
　　电压转换速率和低功耗是运算放大器的重要参数指标。低电压转换速率会造成信号失真，而低功耗是当今时代电子产品的发展趋势。但是，为了提高电压转换速率通常需要更大的供电电流，这会消耗更多的功耗，并且输出信号会产生更大的过冲和震荡，造成系统不稳定。为了让系统稳定，则需要更大的频率补偿电容，而这会导致电压转换速率的下降。因此，在不影响频率补偿，系统保持稳定，低功耗的情况下，提高电压转换速率是急需解决的问题。
　　本文首先设计了一种基于Rohm0.18μm技术的运算放大器，该运算放大器具有可以控制偏置电流的控制端，用于分析偏置电流大小与运算放大器参数之间的关系。然后对样片进行了测试，获得了偏置电流与截止频率，相位裕度，电压增益等参数的关系曲线，同时，研究了放大器功耗与响应的关系，分析了电压转换速率的形成原因和影响因素，为得到低功耗、高速度的设计提出了理论依据。
　　在上述仿真和实际测试的基础上，本文提出了一个能保持低功耗的同时又提高电压转换速率的改进设计方案，并利用HSPICE对其进行了性能仿真和验证。该设计方案巧妙利用了运算放大器在分别输入大信号和小信号时不同的响应特性，结合电容倍增器以及电流控制电路，将米勒频率补偿电容成功的缩小了三倍，有效的节约了芯片的面积。并且该低功耗高速运算放大器可以在不影响频率补偿的情况下，有效提高电压转换速率至5倍以上，极大程度地提高了信号传输速度和质量。
　　本文设计的高速运算放大器在典型供电±1.65V时，电压转换速率达到94V/μs，而功耗只有672μW，实现了低功耗的同时，兼顾了高速化的设计。该运算放大器可广泛应用于高速通信、高速数据采集、多媒体电子等产品设计中。

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第一章 绪 论

1.1 CMOS运算放大器简介及其应用

1.2 CMOS高速低功耗运算放大器的设计难点

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 二级CMOS模拟运算放大器的设计

2.1 CMOS器件的物理构造

2.2二级运算放大器结构设计

2.3 二级运算放大器电路设计

2.4 二级运算放大器的LAYOUT图

第三章 模拟运算放大器功耗与响应之间的关系

3.1 二级运算放大器的测试方法

3.2二级运算放大器的仿真以及实测结果

3.3 二级运算放大器仿真与实测结果比较

3.4 功耗与主要参数之间的关系分析

第四章 CMOS模拟运算放大器的高速化设计

4.1 电压转换速率的定义及其形成原因

4.2 基于二级模拟集成运算放大器的高速化设计

4.3高速运算放大器的电压转换速率仿真分析

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献